[發(fā)明專利]一種具有集成續(xù)流二極管的雙異質(zhì)結(jié)GaN HEMT器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110879952.5
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113594248B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅小蓉;賈艷江;孫濤;張成;鄧思宇;魏杰;廖德尊;郗路凡;趙智家
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/872
• 代理公司: 成都點(diǎn)睛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有集成續(xù)流二極管的雙異質(zhì)結(jié)GaN?HEMT器件。通過嵌入具有極化結(jié)的肖特基勢壘二極管(SBD)進(jìn)行反向續(xù)流，與外部反向并聯(lián)續(xù)流二極管的器件相比，該結(jié)構(gòu)在降低器件反向?qū)▔航岛图纳?yīng)的同時(shí)，顯著減小了整個(gè)器件的面積；在正向阻斷狀態(tài)，AlGaN/GaN?HEMT兩個(gè)異質(zhì)界面處留下帶有正/負(fù)電性的固定極化電荷削弱電場尖峰，改善電場集中效應(yīng)，調(diào)制器件漂移區(qū)電場，實(shí)現(xiàn)漂移區(qū)電場近似矩形的分布，提高器件擊穿電壓；在器件導(dǎo)通狀態(tài)，利用二維電子氣(2DEG)傳輸電流，降低導(dǎo)通電阻。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種具有集成續(xù)流二極管的雙異質(zhì)結(jié)GaN?HEMT器件。

背景技術(shù)

GaN基器件具有臨界擊穿電場大、電子遷移率高、飽和速度快、耐高溫等優(yōu)良的性能，在耐壓、導(dǎo)通損耗和開關(guān)速度等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的硅功率器件，是功率開關(guān)領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)。對于AlGaN/GaN?HEMT器件應(yīng)用而言，還面臨著諸多挑戰(zhàn)：一方面，由于柵邊緣存在電場尖峰、泄漏電流過大等原因?qū)е缕骷崆皳舸淠蛪哼h(yuǎn)未達(dá)到GaN材料的理論極限。另一方面，在許多功率開關(guān)電路中，需要晶體管具有低損耗的反向?qū)芰Γ缒孀兤骱虳C-DC轉(zhuǎn)換器。AlGaN/GaN?HEMT具有反向?qū)芰Γ聪驅(qū)妷号c器件閾值電壓耦合導(dǎo)致反向?qū)妷狠^高。為了克服上述問題，在實(shí)際應(yīng)用中，功率晶體管通常與續(xù)流二極管反向并聯(lián)，使感性負(fù)載電流可以反向流動。然而，外部續(xù)流二極管不僅增加了成本，還引入了額外的寄生電感和電容。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提出一種具有集成續(xù)流二極管的雙異質(zhì)結(jié)GaN?HEMT器件。通過嵌入具有極化結(jié)的肖特基勢壘二極管(SBD)進(jìn)行反向續(xù)流，與外部反向并聯(lián)續(xù)流二極管的器件相比，該結(jié)構(gòu)在降低器件反向?qū)▔航岛图纳?yīng)的同時(shí)，顯著減小了整個(gè)器件的面積；在正向阻斷狀態(tài)，AlGaN/GaN?HEMT兩個(gè)異質(zhì)界面處留下帶有正/負(fù)電性的固定極化電荷削弱電場尖峰，改善電場集中效應(yīng)，調(diào)制器件漂移區(qū)電場，實(shí)現(xiàn)漂移區(qū)電場近似矩形的分布，提高器件擊穿電壓；在器件導(dǎo)通狀態(tài)，利用二維電子氣(2DEG)傳輸電流，降低導(dǎo)通電阻。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種具有集成續(xù)流二極管的雙異質(zhì)結(jié)GaN?HEMT器件，包括沿器件垂直方向自下而上依次層疊設(shè)置的襯底層1、GaN緩沖層2、GaN溝道層3、勢壘層4以及頂部GaN層11；

其特征在于，所述頂部GaN層11和勢壘層4形成異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)界面產(chǎn)生二維空穴氣(2DHG)；所述頂部GaN層11兩端分別設(shè)置有窗口，露出勢壘層4；在一端窗口內(nèi)，在縱向方向上窗口末端，設(shè)置有隔離區(qū)12，所述隔離區(qū)12之外的窗口內(nèi)沿橫向方向依次有第一導(dǎo)電材料6和柵極結(jié)構(gòu)，柵極結(jié)構(gòu)靠近頂部GaN層11；所述第一導(dǎo)電材料6沿垂直方向向下延伸入勢壘層4中，且和勢壘層4的接觸為歐姆接觸，其引出端為源電極；所述柵極結(jié)構(gòu)與第一導(dǎo)電材料6、頂部GaN層11之間均有間距；所述頂部GaN層11另一端窗口內(nèi)具有第二導(dǎo)電材料10，沿垂直方向向下延伸入勢壘層4中，且與勢壘層4的接觸為歐姆接觸，其表面引出漏電極；所述第二導(dǎo)電材料10與頂部GaN層11之間有間距；所述頂部GaN層11靠近一端窗口的上表面具有第五導(dǎo)電材料9，二者形成歐姆接觸；

在縱向方向上，第三導(dǎo)電材料8與頂部GaN層11一端窗口并列，且第三導(dǎo)電材料8部分覆蓋在頂部GaN層11上，且所述第三導(dǎo)電材料8靠近器件一端的部分沿垂直方向向下延伸，依次貫穿頂部GaN層11、勢壘層4并延伸入GaN溝道層3中；所述第三導(dǎo)電材料8與半導(dǎo)體材料的接觸為肖特基接觸，其引出端與源電極短接；

所述縱向方向是指同時(shí)垂直于器件垂直方向和橫向方向的第三維度方向。

進(jìn)一步的，所述柵極結(jié)構(gòu)由位于勢壘層4之上的P型GaN層5及位于P型GaN層5之上的第四導(dǎo)電材料7構(gòu)成，且第四導(dǎo)電材料7和P型GaN層5的接觸為肖特基接觸；第四導(dǎo)電材料7上表面引出柵電極。